В августе 1997 года в рекламную поездку по европейским странам отправился автомобиль Mitsubishi Carisma. После старта в Финляндии Carisma за 11 дней преодолел 6429 км и финишировал в Португалии, затратив на дорогу около 310 л топлива, что в пересчете означало среднее потребление порядка 4,83 л на каждые 100 км пробега. Ну и что — скажете вы, — нынче и три литра на “сотню” реальность. Не будем, однако, торопиться с выводами.
Организовав массовое производство силовых агрегатов GDI, Mitsubishi стала первым серийным производителем двигателей c прямым впрыском бензина
В случае с так называемыми “трехлитровиками” речь идет о маленьких автомобильчиках, вся конструкция которых направлена исключительно на обеспечение низкого расхода топлива. А Mitsubishi Carisma — обычный автомобиль среднего класса, к тому же оснащенный бензиновым силовым агрегатом. Показанная им экономичность, соответствующая уровню дизельных машин, вызывала не только удивление, но и привела к тому, что Carisma, точнее, ее 1,8-литровый двигатель GDI (Gasoline Direct Injection — прямой впрыск бензина) был признан лучшей разработкой в области конструирования автомобилей за 1997 год.
“Джи-ди-ай” — первенец от Mitsubishi
Непосредственный впрыск бензина в камеру сгорания давно находился под пристальным вниманием специалистов. Двигатели с подобными системами топливоподачи известны с середины 1950-х, однако понадобилось почти сорок лет на доводку таких силовых агрегатов до уровня серийного производства. И это при том, что инженерам необходимо было решить всего два главных технических вопроса.
Первая проблема заключалась в организации рабочего процесса. Смесеобразование при подаче бензина прямо в камеру сгорания должно происходить за чрезвычайно короткий промежуток времени, совершенно несоизмеримый с периодом, отведенным на приготовление горючей смеси в обычных инжекторных двигателях и, тем более, в карбюраторных моторах. Но если на вопрос организации рабочего процесса у конструкторов был ответ (в конце концов, такую же проблему приходилось решать в дизельных силовых агрегатах), то невероятная токсичность выхлопных газов, которыми “одаривали” атмосферу двигатели с прямым впрыском бензина, долгое время действительно представлялась непреодолимым препятствием к их массовому производству.
Впрочем, сначала о рабочем процессе. Главную роль в нем играет движение воздуха в цилиндре двигателя. В двигателе GDI воздушный поток сначала разгоняется в длинном вертикальном канале впускного тракта, затем падает вниз на днище поршня, имеющее сложный профиль, и, отражаясь от него, сильно завихряется. Этот вихрь сохраняется до конца такта сжатия, когда форсунка подает внутрь цилиндра топливо. Поршень опять-таки с помощью своего профилированного днища придает топливной струе направление в зону электродов свечи зажигания, а вихрь быстро перемешивает пары бензина и воздуха и, что особенно важно, удерживает облачко бензовоздушной смеси возле свечи зажигания.
Вот здесь-то и заключен механизм той фантастической для бензиновых двигателей экономичности, которую продемонстрировал силовой агрегат Carisma. Смесь обогащенной и пригодной для нормального сгорания получается только в районе свечи, но фактическое отношение количества топлива к воздуху может доходить до величины 1/40, а такую смесь в нормальном двигателе даже нельзя поджечь. Но мало того, что двигатель GDI способен работать с невероятно большим для обычного мотора избытком воздуха, так еще этот самый воздух, располагаясь вдоль стенок цилиндра и днища поршня, ввиду низкой теплопроводности уменьшает тепловые потери и, соответственно, увеличивает КПД.
Пожалуй, не будем преуменьшать и роль, которую в организации рабочего процесса играет система питания. Форсунка не просто распыляет топливо, но и придает его капелькам направленное вращение, в результате чего они испаряются практически мгновенно. На качество распыла влияет также давление, под которым топливо подается в форсунку. Бензонасос высокого давления в двигателе GDI развивает порядка 50 бар (для справки: в системе питания традиционных инжекторных двигателей действует давление около 3,5 бар).
Теперь о токсичности. Дело в том, что нейтрализаторы выхлопных газов, использовавшиеся в обычных бензиновых двигателях, для нормального функционирования требуют, чтобы горючая смесь всегда была несколько обогащенной, а не такой “тощей”, как в моторах с прямым впрыском. Опять же, эти нейтрализаторы хорошо обезвреживают только угарный газ и углеводороды, но малоэффективны в борьбе с окислами азота. Вот окислы азота, которые в огромном количестве присутствуют в выхлопе двигателей с прямым впрыском бензина, и стали основным сдерживающим фактором в развитии этих силовых агрегатов.
Mitsubishi повела борьбу с окислами азота сразу на двух фронтах. Чтобы уменьшить переизбыток кислорода в свежем заряде горючей смеси и тем самым подавить эмиссию окислов азота, на такте выпуска в цилиндре остается до 30% выхлопных газов. Кроме этого, для нейтрализации азотного “яда” Mitsubishi разработала специальный NОx-катализатор, который в выхлопной системе установлен сразу после обычного 3-компонентного катализатора.
Испытания показали, что двигатель с прямым впрыском расходует на 25% меньше топлива, чем серийный мотор, ставший прототипом при разработке GDI-процесса. В режиме холостого хода экономия может достигать и вовсе 40%. А еще выяснилось, что прослойка воздуха возле стенок цилиндров не только уменьшает потери тепла, но и обеспечивает высокую стойкость рабочего процесса против детонационного сгорания рабочей смеси. Это позволило увеличить степень сжатия, что экономичности опять-таки пошло только на пользу, а также повысить мощность и крутящий момент примерно на 10% во всем диапазоне оборотов коленчатого вала.
 
Двигатель FSI компании Audi принципиально не отличается от разработок Mitsubishi, Toyota и Peugeot. За организацию рабочего процесса здесь также в равной степени отвечают система питания Сommon Rail высокого давления, двухступенчатый впускной коллектор и поршень со сложным профилем днища
Toyota опаздала...
Потому что, во-первых, не торопилась, а во-вторых, первоначальные планы этой компании, которая, возможно, недооценила потенциал двигателей с прямым впрыском, были весьма скромными. Toyota предполагала, что доводка таких моторов будет длительной, и поэтому для начала рассчитывала оснащать новой системой топливоподачи только модель Corona Premio, предназначенную для внутреннего рынка Японии. Однако эксплуатация этих автомобилей подтвердила, что реальная экономия бензина составляет до 30% по сравнению с обычными моторами, и теперь можно ожидать, что силовые установки с прямым впрыском бензина будут более активно распространяться на остальную модельную гамму Toyota.
Что отличает двигатель D-4, а такой индекс получило “детище” Toyota, от Mitsubishi GDI? В D-4 топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением 120 бар, поэтому диаметр капелек, на которые дробится факел топлива, распыляемый из форсунки, не превышает 20 микрон, что способствует еще более быстрому приготовлению бензовоздушной смеси. Toyota оснастила D-4 системой рециркуляции EGR, которая при каждом впуске свежего заряда возвращает внутрь цилиндра до 40%. Зачем это делается, понятно из вышеизложенного.
Главное же отличие заключается в следующем. Впускные каналы в головке цилиндров D-4 имеют неодинаковую форму: один — прямой, другой — винтовой. При работе двигателя на низких и средних оборотах прямой канал прикрыт заслонкой, а воздух поступает по винтовому каналу и тем самым завихряется. А дальше — все то же расслоение рабочей смеси на слои, как и в двигателе Mitsubishi.
Однако предположим, что нагрузка на двигатель увеличилась. Электронный блок управления двигателем, отслеживая режимы работы силового агрегата посредством многочисленных датчиков, переключает систему питания на двойное впрыскивание топлива. При этом основная масса бензина вводится в цилиндр на такте впуска, а остальная часть — во время сжатия при подходе поршня к ВМТ. По мере увеличения нагрузки топливо подается во все больших количествах, и одновременно начинает приоткрываться заслонка, запирающая второй, прямой, впускной канал. Поток воздуха, устремляющийся по этому каналу в цилиндр, разрушает расслоение, в результате чего на режиме максимальной мощности рабочая смесь становится стехиометрической (гомогенной, однородной).
Конечно же, стехиометрический режим работы предусмотрен и в Mitsubishi GDI, хотя там он достигается несколько другим способом. Просто при рассказе о GDI мы этот вопрос сознательно не осветили, оставив его для главы о Toyota D-4.
Первые в Европе
Первой в Европе о начале комплектации автомобилей двигателями с прямым впрыском топлива объявила Volvo. Ничего удивительного в этом не было, поскольку речь шла о моделях S40/V40, собиравшихся на том же самом голландском заводе Ned Car, где производились и Mitsubishi Carisma. Учитывая, что при сборке S40/V40 и Carisma использовалась одна и та же платформа, Volvo требовались минимальные доработки, чтобы “прописать” GDI-двигатель под капот собственных машин. Однако вскоре легковое отделение шведов купил Ford, и до массового серийного изготовления Volvo c GDI-двигателями дело не дошло.
Поэтому европейскими первооткрывателями нового направления в двигателестроении следует считать французский концерн PSA (Peugeot+ Citroёn), который приступил к производству двигателей с прямым впрыском бензина в середине 2000 года, получивших индекс HPi. Французы не стали изобретать “велосипед”, а заключили лицензионное соглашение опять-таки с Mitsubishi. Согласно этому договору GDI-процесс был положен в основу спроектированного французскими конструкторами 143-сильного двигателя объемом 2 л для Peugeot 406 и Citroёn Xantia.
Разумеется, не обошлось и без собственного технического творчества. PSA постарался максимально использовать возможности систем питания типа Common Rail с электронным управлением. В двигателе HPi форсунка действует с переменным давлением от 30 до 100 бар в зависимости от режима работы двигателя. Развивает же это давление двухсекционный топливный насос, в котором, в отличие от существующих конструкций, все движущиеся детали работают в масле и не контактируют с бензином. Такое решение, по мнению французских конструкторов, должно гарантировать длительную и безотказную работу насоса.
К тому же для увеличения долговечности французы установили три уровня для высоковольтных импульсов от катушки зажигания: для надежного поджигания слишком бедных смесей, для промежуточных режимов и для работы двигателя с полной нагрузкой. Ну, и последняя проблема, над которой основательно поработали инженеры PSA, была токсичность. По чистоте выхлопа двигатель HPi удовлетворяет не только требованиям Euro 3, но отвечает также и нормам Euro 4, которые вступят в силу в 2005 году.
Однако что показали испытания? Установлено, что по сравнению со своими предшественниками на заводских конвейерах Peugeot и Citroёn — двигателями EW и XU — мотор HPi при таком же рабочем объеме обеспечивает прирост мощности на 3 и 6%, увеличение крутящего момента на 4 и 10% и экономию топлива на 10 и 19% соответственно.
Теперь и концерн Volkswagen делает ставку на прямой впрыск
В 1997 году, после появления Mitsubushi GDI, аналитики предрекали, что в течение десяти лет двигатели с прямым впрыском бензина полностью вытеснят из производственных программ ведущих автопроизводителей обычные инжекторные моторы. Этот прогноз перестал быть чересчур оптимистичным, когда число компаний, сделавших ставку на новые двигатели, пополнила Audi, а вместе с ней и крупнейший автомобильный концерн мира, объединяющий в своих рядах кроме Audi также Volkswagen, Seat, Skoda.
В двигателе Audi за организацию FSI-процесса (такое название прямому впрыску дали немцы) в равной степени отвечают система питания Сommon Rail высокого давления, оригинальный двухступенчатый впускной коллектор, поршень со сложным профилем днища и система рециркуляции выхлопных газов. Как видим, принципиальной разницы с разработками Mitsubishi, Toyota и Peugeot нет. А частности заключаются в следующем.
Центральными звеньями в системе Сommon Rail являются однопоршневой бензонасос, ответственный за создание в системе высокого давления, и форсунки, смонтированные таким образом, чтобы факел распыленного из них топлива был направлен в сторону электродов свечи зажигания. Давление впрыска, кстати, составляет порядка 110 бар.
Впускной коллектор состоит их двух каналов, один из которых так же, как и на моторе Toyota, в режиме работы двигателя на частичных нагрузках прикрыт заслонкой. Кроме этого, двигатель FSI получил систему рециркуляции, возвращающую назад в цилиндры более 30% отработавших газов. Эти газы подавляют образование некоторой части окислов азота. А для обезвреживания всего, что осталось, предназначены два нейтрализатора. Один, трехкомпонентный, ничем не отличается от стандартных катализаторов, используемых на обычных моторах. Другой был создан специально и представляет собой накопитель, предназначенный для нейтрализации только окислов азота. Изнутри этот накопитель покрыт барием, который задерживает окислы азота. Как только накопитель начинает переполняться, блок управления включает двигатель на кратковременно работу с богатой топливной смесью. Это поднимает температуру выхлопных газов, из-за чего оксиды азота распадаются на безвредный азот и кислород. Частота очищения накопителя зависит от условий работы двигателя и не превышает нескольких секунд в течение каждой минуты работы двигателя.
Первый двигатель FSI, разработанный Audi, сохранив блок цилиндров и основные размеры такие же, как на моторе объемом 2,0 л, знакомом нам по моделям Audi А4 и А6, оказался на 15% экономичней своего предшественника.
Сергей БОЯРСКИХ | 
